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光电效应

光电效应(Photoelectric effect)是指物质中的电子吸收高频率的光子(如可见或紫外光)后发射出光电子的现象。1887年,海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)首先发现了该现象。他发现用紫外光照射电极更加容易产生电火花。 在不同物质中产生光电效应所需要吸收的光子能量也不同,其范围可以从eV到MeV量级。研究光电效应对于理解光和电子的量子性是很重要的一个环节,对波粒二象性的形成也起到了很重要的作用。 1905年爱因斯坦首先用光量子理论解释了光电效应。

  1. 建立光具有粒子性这一特性的物理图像
  2. 掌握光电效应的基本特性,加深对光的量子性的理解。
  3. 学习验证爱因斯坦光电方程的实验方法。
  4. 掌握产生单色光的方法。

马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和实验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。这关系称为普朗克关系,用方程表示普朗克关系式 E=hv

在光电效应实验中可发现:

  1. 当入射光的波长不变时,光电流的大小与入射光的强度成正比;
  2. 光电子的最大动能与入射光的强度无关;
  3. 对于任何光阴极的金属材料都有一个相应的截止频率v_0(也称红限),当入射光的频率小于v_0时,不论光强多大,照射时间多长,也不会产生光电流。

对于上述现象,爱因斯坦认为光是由光子组成的粒子流,每个光子的能量为E=hv。光子的多少决定光的强弱。当光照射金属表面时,金属中的电子只有吸收了光子能量后,才能逸出表面成为光电子。因此,光子能量的一部分转化为使电子从金属表面逸出时必须做的功W–逸出功(温度为绝对零度时,金属中具有最大能量的电子逸出金属表面所需要给予的能量);另一部分能量便转换成光电子的最大动能。于是便有了爱因斯坦方程hv=1/2mv^2_{M}+W,式中m为电子质量,v_M为光电子的最大速度。

  1. 溴钨灯
  2. 小型单色仪
  3. GD-27型光电管(阴极为褐色的Ag-O-K膜,阳极为镍圈),管内压强为10^-2
  4. 光电效应实验仪
  5. 光电效应实验仪背部导线分布
  1. 光路调节、单色仪波长定标和确定输出电流零点。(建议完成时间小于15分钟)
    • 光路调节:打开溴钨灯,设定电压为某一数值,如10V,单色仪鼓轮为5.000mm时,调整透镜位置,使得电流最大。
    • 单色仪波长定标:将观察屏(可用白纸片代替)放置到单色仪的出射缝和光电管之间,调节鼓轮到零刻度附近,当观察屏上出现一清晰明亮的像——零级光谱时,记下此时鼓轮读数即为鼓轮零点(注意区分此时是正读数还是负读数)。鼓轮读数改变1.00mm对应出射光波长改变100nm。(定标完成后须将鼓轮读数调离鼓轮零点,比如可以调成5.000mm,以避免光电管被单色仪鼓轮处于零点时的复色光照射。)
    • 确定输出电流零点:将电压设置为0V,将“电流量程”选择开关置于合适档位,调节挡板遮挡单色仪入射缝,调节调零旋钮使得显示电流读数为零。(注意不同电流量程需要重新进行电流零点确认。)
  2. 测量本底光电流。(建议完成时间小于5分钟)
    • 分别遮挡透镜和单色仪入射缝,观察电流大小的变化。
  3. 测量暗电流。(建议完成时间小于30分钟)
    • 断开测试仪电流输入电缆线,调节调零旋钮使得显示电流为零。
    • 遮挡单色仪入射缝,连接电流输入电缆线,改变电压(电压档-2V——0V建议从-1.998V开始测量5个数据点左右,数据可均匀分布;电压档-1V——+50V建议从-1.0V开始测量10个数据点左右,高电压数据分布稀疏,低电压数据分布密集)测量暗电流。
    • 画出未照光时的光电管的伏安特性曲线。
  4. 比较观察正、反向电压条件下,光照射到光电管上引起的电流变化情况。(建议完成时间小于30分钟)
    • 调节鼓轮读数使出射光波长为500nm。
    • 调节电压为10V,将挡板挡住单色仪入射缝,调节调零旋钮使得显示电流为零。
    • 将挡板移开使得光射入单色仪入射缝,记录电流的变化过程(记录几个变化的电流数值以及变化时间量级)。
    • 调节电压为0V,将挡板挡住单色仪入射缝,调节调零旋钮使得显示电流为零。
    • 将挡板移开使得光射入单色仪入射缝,记录电流的变化过程(记录几个变化的电流数值以及变化时间量级)。
    • 调节电压为-1.998V,将挡板挡住单色仪入射缝,调节调零旋钮使得显示电流为零。
    • 将挡板移开使得光射入单色仪入射缝,记录电流的变化过程(记录几个变化的电流数值以及变化时间量级)。
    • 和同组同学讨论该现象以及机理并记录讨论结果。
  5. 测量光电管的伏安特性曲线。(建议完成时间小于20分钟)
    • 测量波长为500nm时对应的光电管的伏安特性曲线。
    • 按照步骤1中方法确定输出电流零点,将电压按键分别置于-1V——+50V档和-2V——0V档,改变电压(数据分布同测量暗电流时的电压分布),测量对应电流值,画出伏安特性曲线。
    • 测量得到的电流由哪些部分组成?电压改变后电流变化的原因?能否估计非阴极光电流的大小(可计算电压为-1.998V时对应的非阴极光电流的大小)?
  6. 测量普朗克常数h。(建议完成时间小于20分钟)
    • 确定入射光变化范围。入射光调节范围为400nm-600nm。
    • 将电压按键置于-2V——0V档;将“电流量程”选择开关置于10^-13A档,按照步骤1中方法确定输出电流零点。(测量过程中由于电流零点会漂移,需要多次确定输出电流零点。)
    • 测量出射光波长为400nm和600nm时对应的截止电压,调节电压为这两个电压的平均值,再将挡板挡住单色仪入射缝,利用电流调零旋钮重新确定输出电流零点。
    • 分别由小到大和由大到小改变出射光的波长,调节范围为400nm-600nm,波长改变步长为40nm,调节电压记录电流读数为0时对应的电压即截止电压。(实验中改变入射光强度是否会对截止电压产生影响?)
    • 画出截止电压和入射光频率的关系图,拟合并计算普朗克常数h,并计算不确定度。
  1. 画出未照光时的光电管的伏安特性曲线。
  2. 画出波长为500nm时对应的光电管的伏安特性曲线。
  3. 测量得到的电流由哪些部分组成?电压改变后电流变化的原因?计算电压为-1.998V时对应的非阴极光电流的大小。
  4. 画出截止电压和入射光频率的关系图,拟合并计算普朗克常数h,并计算不确定度。
  1. 不要直视卤素灯。
  2. 大多数情况不要将单色仪和光电管分开,如需要分开时,要将光电管电源关闭,以避免损坏光电管。
  3. 不同电流档位的零点不一定相同。
  1. 贾玉润等主编,大学物理实验,上海:复旦大学出版社,1987年
  2. 1905年爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》“On a Heuristic Point of View about the Creation and Conversion of Light”eins_lq.pdf. Translated by Dirk ter Haar

讨论区

欢迎同学在此提问、讨论。 — 乐永康 2014/12/28 01:21

补偿法测量截止电压的时候,所测的补偿电流零点法对应电压下的暗电流和本底电流,而不是补偿法测的截止电压所对应补偿电流,实验结果会有系统误差。是否可以采用类似“迭代”的方法,再测量该电压下的补偿电流,测出新的结果,估计反复几次就能找到更准确的截止电压值。 — 陈芳婷 2016/12/18 19:29

我记得岑老师有讲过的,主要还是没有必要这么做。本身零点法的误差就比较小,再多次迭代相对于实验仪器本身精度来说能起到的精度提升效果不大。 — 魏昊天 2016/12/18 20:35

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  • 最后更改: 2021/11/18 15:46
  • 由 cenyan